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1
Estabilidade Transitória de Sistemas de
Energia Elétrica (SEE)
(IT705)
Prof. Daniel Dotta E-mail:[email protected]
Web: www.dsee.fee.unicamp.br/~dotta
Sala: 203
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2
Tópicos Principais
Objetivo geral da disciplina e pré-requisitos
Sistemas de energia elétrica clássicos
Modernização dos sistemas de energia elétrica
Programa e desenvolvimento da Disciplina
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3
Objetivo Geral da Disciplina
Desenvolver o aprendizado básico das técnicas de
modelagem e análise da dinâmica de sistemas de energia
elétrica.
80 90 100 110 120 130 140 150
58
60
62
64
66
68
70
72Frequência do SIN - SPMS MedFasee (com filtro)
Fre
quência
(H
z)
Tempo(s) - Início:10/02/2010 14:51:00 (local)
UFPA
UNIFEI
UnB
COPPE
UFC
USP-SC
UFSC
PUC-RS
59,41Hz (Sul/Sudeste/Centro-Oeste_
56,35 Hz (Nordeste)
71,65 (Norte)
Fluxo de Potência – Regime Permanente Comportamento Dinâmico
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4
Curso de Estabilidade Transitória
Pré-requisitos Teoria de sistemas lineares
Fluxo de carga
Componentes de seqüência
Procedimentos didáticos Aulas expositivas
Exercícios
Trabalhos extraclasse (Simulação : Matlab/Anarede e Anatem)
Instrumentos de avaliação Duas provas escritas (60%)
Trabalhos extraclasse: definidos ao longo do curso (40%)
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5
Sistemas de Energia Elétrica Clássicos
Objetivos principais:
Gerar energia elétrica em
quantidade suficiente e nos locais
mais apropriados;
Transmití-la em grandes
quantidades aos centros de carga;
Distribuí-la aos consumidores
individuais com os índices de
qualidade (freqüência, tensão,
forma de onda, etc.) apropriados;
Obter o menor custo econômico e
ecológico possível.
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6
Sistemas de Energia Elétrica Clássicos
Estrutura Física Convencional Típica:
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7
Sistemas de Energia Elétrica Clássicos
Aspectos Energéticos
Aspectos de Mercado e Regulação
Aspectos Elétricos
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8
Aspectos Energéticos O Problema da Operação Energética
Objetivo:
Minimizar o custo esperado da energia
Características do caso brasileiro:
Estocástico e Não-Linear
Matematicamente de grande porte
Diversos reservatórios em cascata
Disponibilidade futura dependente da
operação presente
Divisão do problema em 3 etapas:
Planejamento de Médio Prazo: 5 a 10 anos
Planejamento de Curto Prazo: 2 a 6 meses
Programação Diária: 1 a 2 semanas
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9
Aspectos de Mercado e Regulação Setor Elétrico Brasileiro
Novos Marcos Regulatórios:
Lei 9074 (1995)
Lei 10848 (2004)
Separação entre Produto e Serviços:
Consumo Final
Produto Energia Elétrica Serviços do Sistema
Ancilares Transmissão Administração Operação
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10
Aspectos de Mercado e Regulação Organização da Indústria
CATIVO LIVRE
Consumidor
Gerador
Transmissor
Distribuidor CATIVO LIVRE
COMERCIALIZADOR
Administrador do Mercado (CCEE)
Regulador
(ANEEL)
Planejador
(EPE)
Operador
(ONS)
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Aspectos Elétricos Sistema Interligado Nacional – SIN
Transmissor
Características do SIN
• 105.343 MW Capacidade de
Geração Instalada
• 76.845 MW/FEV 2013 Pico de Demanda
• 230 kV, 345 kV , 440 kV, 500 kV, 600 kV e 750 kV
Níveis de Tensão Utilizados na Transmissão
• 230 kV CA – 45.708,7 km
• 345 kV CA – 10.601,9 km
• 440 kV CA – 6.680,7 km
• 500 kV CA - 35.003,4 km
• 600 kV CCAT – 3.224 km
• 750 kV CA – 2.638 km
Extensão das Linhas de Transmissão
• Hidroelétricas (66,45%) – 70.001 MW
• Itaipu 60Hz (6,64%) – 7.000 MW
• PCHs (4,29%) – 4.515 MW
• Termoelétrica (15,40%) – 16.228 MW
• Termonuclear (1,91%) – 2007 MW
• Eólica (1,27%) – 1.342 MW
• Biomassa (4,03%) – 4.250 MW
Estrutura da Capacidade Instalada de
Geração
Fonte: ONS
103.856,7 km
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12
Sistemas de Energia Elétrica Clássicos
Características:
A Energia Elétrica não é estocável em grandes quantidades.
A demanda de Energia Elétrica não é constante.
Na operação de um sistema elétrico deve ser assegurado o
equilíbrio instantâneo entre carga e geração.
O tempo para a construção de equipamentos de grande porte
(usinas, linhas de transmissão e subestações) é elevado - 2 a 7 anos.
Os estudos de planejamento da expansão e operação devem
considerar horizontes de curto, médio e longo prazos
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13
Estudos de Planejamento e Operação
Simulações Computacionais
Estudos de desempenho energético
Estudos de desempenho elétrico
Estudos de Mercado
Os modelos matemáticos são de grande porte e formados por
milhares de equações algébricas e/ou equações algébricas e
diferenciais
Há necessidade da Separação temporal dos fenômenos físicos
para se obter modelos matemáticos e computacionais de porte
razoável.
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Ilustração 1: Fluxo de Potência em
Sistemas de Energia Elétrica
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15
Ilustração 2: Falhas em Sistemas de
Energia Elétrica
Curto-circuito entre duas fases de uma linha de transmissão
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16
Ilustração 3: Falhas em Sistemas de
Energia Elétrica
Curto-Circuito em alimentador causado por galho de árvore durante tempestade
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17
Ilustração 4: Falhas em Sistemas de
Energia Elétrica
Dados oscilográficos de uma falta monofásica
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18
Ilustração 5: Falhas em Sistemas de
Energia Elétrica
Dados oscilográficos de uma falta bifásica
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19
Ilustração 6: Fenômenos da Natureza
Descargas atmosféricas em linhas de transmissão de energia elétrica
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EEL / UFSC
20
Modernização dos Sistemas de
Energia Elétrica
Cenário atual
Tecnologias Portadoras de Futuro
Sistemas de Medição Fasorial Sincronizada (SMFS)
Micro geração e Microrredes
Redes Inteligentes (Smart Grids)
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21
Modernização dos Sistemas de Energia Elétrica
Cenário atual dos Mercados de Energia Elétrica:
Nova regulamentação – Abertura do mercados;
Restrições ambientais e requisitos de qualidade;
Incentivo à fontes renováveis e geração distribuída (GD);
Cargas como agentes ativos.
Avanços Tecnológicos:
Novas formas de geração e sistemas de transmissão flexíveis;
Sistemas avançados de monitoração, controle e proteção
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22
Sistemas de Energia Elétrica Tradicionais Características
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Modernização dos Sistemas de Energia Elétrica Redes de Transmissão
Métodos de Controle e
Proteção Avançados
Sistemas de
Comunicação Suporte à Decisão
Dispositivos Eletrônicos
Avançados
Áreas tecnológicas principais
Sensoriamento, Medição
e Monitoramento
23
Métodos de Controle e
Proteção Avançados
Sistemas de
Comunicação Suporte à Decisão
Dispositivos
Eletrônicos Avançados
Sensoriamento, Medição
e Monitoramento
Medição Fasorial Sincronizada
Áreas Tecnológicas Principais
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24
Medição Fasorial Sincronizada Visão Geral
Medição simultânea de grandezas elétricas em instalações distantes
geograficamente usando PMUs (Phasor Measurement Units)
Sincronização temporal por sinal do sistema GPS (Global Positioning
System)
Aquisição e tratamento de dados em sítio remoto (Phasor Data
Concentrator – PDC)
Taxa de atualização
(varredura) >> SCADA
Viabiliza o monitoramento e o
controle da dinâmica dos SEE
Novo paradigma para a
operação dos SEE
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25
Sincrofasores
Fasores calculados em instalações geograficamente distantes
utilizando-se a mesma referência de tempo.
Há necessidade de uma referência temporal única – Sincronização!
Tarefa não-trivial: Envolve grandes distâncias e alta precisão temporal.
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SCADA X SMFS – Aspectos Relevantes
SCADA
(Supervisory Control and Data Acquisition)
Taxa de atualização entre 2 e 5
segundos
Dados não sincronizados no tempo
Links de comunicação tradicionais
(normalmente lentos)
Permite visualizar o
comportamento estático dos SEE
Variações de frequência:
representam o desbalanço entre
geração e carga
SMFS (Sistema de Medição Fasorial Sincronizada)
Taxa entre 10 e 60 atualizações por
segundo
Dados sincronizados no tempo
Compatível com tecnologias
modernas de comunicação
Permite visualizar o comportamento
dinâmico dos SEE
Variações angulares: representam
os fluxos de MW no sistema
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27
SCADA X SMFS – Ilustração
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28
Como é visto o sistema elétrico?
Pelo SCADA Pelo SMFS
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29
Registro e Análise de Perturbações Blecaute: 10/11/2009
Corte de 28.800 MW de carga
Separação do SIN em 3
subsistemas: 10/02/2010
0 100 200 300 400 500 60058
59
60
61
62
63
64Frequência do SIN - SPMS MedFasee (com filtro)
Freq
uênc
ia (
Hz)
Tempo(s) - Início:10/11/2009 22:10:00 (local)
UFPA
UNIFEI
UnB
COPPE
USP-SC
UTFPR
UFSC
PUC-RS
180 182 184 186 188 190 192 194 196 198 200
58
59
60
61
62
63
Frequência do SIN - SPMS MedFasee (sem filtro)
Fre
quên
cia
(Hz)
Tempo(s) - Início:10/11/2009 22:10:00 (local)
UFPA
UNIFEI
UnB
COPPE
USP-SC
UTFPR
UFSC
PUC-RS
Evento 1
Evento 2
Evento 3
Evento 4
60 70 80 90 100 110 120 130 14056
58
60
62
64
66
68
70
72Frequência do SIN [60f/s]
Fre
quência
(H
z)
Tempo(s) - Início:10/02/2010 14:51:00 (UTC -2)
UFPA
UNIFEI
UNB
COPPE
UFC
USP-SC
UFSC
UNIR
855 860 865 870 875 880 885 890 89559.85
59.9
59.95
60
60.05
60.1
60.15
60.2
60.25
Frequência do SIN [60f/s]
Fre
quência
(H
z)
Tempo(s) - Início:10/02/2010 14:51:00 (UTC -2)
UFPA
UNIFEI
UNB
COPPE
UFC
USP-SC
UFSC
UNIR
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30
Tecnologias Portadoras de Futuro Smart Grids
Definição:
A expressão Smart Grid dever ser entendida mais como um conceito do que
uma tecnologia ou equipamento específico.
Ela carrega a idéia da utilização intensiva de tecnologia de informação e
comunicação na rede elétrica, através da possibilidade de comunicação do
estado dos diversos componentes da rede, permitindo a implantação de
estratégias de controle e otimização da rede de forma muito mais eficiente
que as atualmente em uso.
Fatores motivadores
da introdução de
Smart Grids:
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31
Tecnologias Portadoras de Futuro Microredes
Características:
A idéia fundamental deriva da expansão da utilização da geração
distribuída.
Grupos de geradores distribuídos e respectivos grupos de cargas
associadas são vistos como um sistema (subsistema) elétrico
independente.
O conceito de Microredes se enquadra na concepção geral de um
Smart Grid, tendo em vista que proporciona aumento nos níveis
de confiabilidade, economia e qualidade ambiental.
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Modernização dos Sistemas de Energia Elétrica Microrrede, Micro e Minigeração (características)
32
Expansão da utilização de GD.
Uso de Micro e Minigeração
Sistema independente para grupos
de Geradores Distribuídos e
cargas associadas.
Microrredes se enquadram na
concepção de Smart Grid.
Microrredes podem propiciar
melhores indicadores de
confiabilidade, econômicos e de
qualidade ambiental.
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33
SEE Atual e Perspectiva Futura
Rede ativa de distribuição (bidirecional) Redes de distribuição (unidirecional)
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Geração em qualquer lugar;
Carga como elemento ativo;
Fluxo de potência em todas as direções;
Comportamento caótico.
Modernização dos Sistemas de Energia Elétrica
34
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35
Curso de Dinâmica de Sistemas de
Energia Elétrica I
Objetivos do curso:
apresentar a natureza dos problemas de estabilidade transitória
e para pequenas perturbações, os fenômenos físicos
subjacentes, a modelagem dos diversos equipamentos para estes
estudos e as técnicas de análise utilizadas.
O curso será desenvolvido com ênfase nos aspectos conceituais
e de modelagem para a simulação computacional.
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36
Escalas de Tempo
Image source: P.W. Sauer, M.A. Pai, Power System Dynamics and Stability, 1997, Fig 1.2, modified
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37
Modelos Matemáticos
Modelos são uma aproximação da realidade
Grau de aproximação
A questão prática é: Qual o grau de aproximação
necessário para que o modelo utilizado seja útil
A parte boa da engenharia é decidir que tipo de modelagem deve ser aplicada e as suas limitações
Devemos ter em mente qual o problema nos estamos tentando resolver
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38
Exemplo 1: Falha do Modelo
1996: Erros de modelagem levaram o sistema ao
blecaute (WECC)
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39
Exemplo 1: Falha do Modelo
2011: Mesmo após o blecaute de 1996 os erros persistem
Source: Arizona-
Southern California
Outages
on September 8, 2011
Report,
FERC and NERC,April
2012
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40
Modelos e seus Parâmetros
Geralmento os modelos e seus parâmetros são altamente acoplados
Os parâmetros de um modelo em particular devem ser
derivados a partir de resultados do objeto físico de
interesse
O uso de simulação detalhada sem uma mudança de parâmetros e/ou de modelagem pode não alcançar os resultados desejados
Modelos detalhados não são necessariamento mais exatos
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41
Abordagem (Estática versus Dinâmica)
Análise estática versus dinâmica é utilizada em diversas áreas do conhecimento
Um ponto de equilíbrio pode ser definido como uma condição de operação onde o modelo não está variando
Sistemas reais estão sempre mudando
Para periodos definidos de tempo um sistema invariante
pode ser uma aproximação útil
Análise estática verifica como o ponto de equilíbrio se comporta frente a alterações (parâmetros e modelo) Exemplo: fluxo de potência
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42
Abordagem
(Estática versus Dinâmica)
A análise dinâmica verifica a resposta temporal
do sistema frente a perturbações que alteram o
equilíbrio
Em SEE o exemplo é a estabilidade transitória
A questão central para modelagem e solução é
definir a escala de tempo necessária para o
estudo
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43
Abordagem (Estática versus Dinâmica)
Valores que variam lentamente (relativa a escala de tempo de interesse) podem ser considerados constantes No Fluxo de Potência a carga ativa e reativa são consideradas
constantes (as vezes a variação com a tensão é consireda)
Valores que variam rapidamente (relativa a escala de tempo de interesse) podem ser considerados algébricos No fluxo de potência a tensão terminal do gerador é
considerada uma variável algébrica, mas não na estabilidade transitória
Nos estudos de fluxo de potência e estabilidade transitória as equações de balanço de potência são consideradas algébricas
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44
Malhas de Controle de um Gerador
Síncrono
T.P. e
Retificadores
Amplificador
e
Excitatriz
Estabilizador do
Sistema de
Potência
Pe,,f
GeradorTurbinaAmplificador
Hidráulico
Controlador de
Carga-
Freqüência
Estatismo
Sensor de
Fluxo de
Intercâmbio
Rede de
Transmissão
Pref
Controle de Tensão
Regulador de Velocidade
Vt
Pe
+
-
+
-
+
-
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Simulação da Dinâmica de um SEE
Estrutura Analítica do Modelo
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Abordagem (Estática versus Dinâmica)
O estudo de fluxo de potência é utilizando para determinar um estado de quase operação em regime permanente O objetivo é resolver uma configuração de equações
algébricas tal que g(x) = 0
Os modelos utilizados refletem a condição de regime permanente como geradores iguais a barras PV, cargas constantes, etc.
A análise dinâmica é utilizada para determinar como o sistema varia com o tempo, usualmente frente a perturbações que alteram seu ponto de equilíbrio estático
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47
Abordagem (Estática versus Dinâmica)
O estudo de estabilidade transitória busca determinar se após distúbio (contingência) o sistema de potência retorna ao um ponto de equíbrio O objetivo é resolver uma configuração de equações
algébricas diferencias tal que dx/dt=f(x,y), g(x,y) = 0
Começa no regime permanente (ponto de equilíbrio) e espera-se que retorne ao mesmo
Modelos refletem a escala temporal de estudo, como valores de variação lenta que são considerados constantes (taps) enquanto outros, considerados rápidos, são considerados algébricos (dinâmica do estator da máquina síncrona)
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Estrutura Física (Principais Componentes)
P. Sauer and M. Pai, Power System Dynamics and Stability
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Curso de Estabilidade Transitória
Estrutura:
Introdução
Estabilidade de Sistemas Dinâmicos
Estabilidade de Sistemas Elétricos de Potência
Modelagem Detalhada de Componentes do Sistema -
Máquinas Síncronas
Modelagem Detalhada de Componentes do Sistema -
Sistema de Excitação, Equipamentos FACTS e Cargas
Simulação da Dinâmica de Sistemas Elétricos de Potência
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Curso de Estabilidade Transitória
Pré-requisitos Teoria de sistemas lineares
Fluxo de carga
Componentes de seqüência
Procedimentos didáticos Aulas expositivas
Exercícios
Trabalhos extraclasse (Simulação : Matlab/Anarede e Anatem)
Instrumentos de avaliação Duas provas escritas (80%)
Trabalhos extraclasse: definidos ao longo do curso (20%)
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Curso de Estabilidade Transitória
Bibliografia
[1] P. Kundur, Power System Stability and Control, EPRI, Power System Engineering
Series, McGraw-Hill, Inc., 1994.
[2] E.W. Kimbark, Power Sistem Stability, Vol. I e II, New York, John Wiley and Sons
Inc., 1948.
[3] P.M. Anderson and A.A. Fouad, Power System and Stability, Iowa State
University Press, 1977.
[4] J. Arrillaga, C.P. Arnold and B.J. Harker, Computer Modelling of Electrical Power
Systems, John Wiley & Sons, 1983.
[5] T.J.E. Miller, Reactive Power Control in Electric Systems, John Wiley Sons,
1982.
[6] E. Kimbark, How to Improve System Stability Without Risking Subsynchronous
Resonance, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. PAS-
96, pp. 1608--1619, Sep./Oct.,1977.
[7] B. Stott, Power System Dynamic Response Calculations, Proceedings of the
IEEE, vol. 67, pp. 219--241, Feb. 1979.
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Curso de Estabilidade Transitória
Bibliografia (cont.)
[8] H. W. Dommel and N. Sato, Fast Transient Stability Solutions, IEEE Trans. on
Power Apparatus and Systems, vol. PAS-91, pp. 1643--1650, July/Aug. 1972.
[9] IEEE/CIGRE Joint Task Force, Definition and Classification of Power System
Stability, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 19, No. 2, May 2004.
[10] IEEE Committee Report, Computer Representation of Excitation Systems, IEEE
Trans. on Power Apparatus and Systems, vol. PAS-87, pp. 1460-1464, June,
1968.
[11] IEEE Committee Report, Excitation Systems Models for Power System Stability
Studies, IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems, vol. PAS-100, pp.
494-509, Feb., 1981.